什么是矢量网络分析？
矢量网络分析仪是“激励—响应”测试系统
表征射频和微波器件的正向和反向特性
当射频微波信号从左到右或从右到左通过被测器件时，测量被测器 件反射的信号和传输的信号相对于输入信号在幅度和相位上的变化
定量表示线性幅度和相位的变化
扫频测量，速度极快
可以得到非常精确的测量结果
既可以做频域测量也可以做时域分析
扩展应用种类多
天线测试，材料测试，信号完整性测试…
可以用矢量网络分析进行测试的器件的种类
射频微波器件制造商
无线通信系统制造商
科研院所和高等院校
军工科研单位和生产企业
各种工业材料
农业、食品、医疗机构
表征器件参数特性的目的
验证复杂射频和微波系统中功能模块的指标规格
确保通信信号的无失真传输
线性特性：幅度频响特性平坦，线性相位/群时延特性平坦
非线性特性：产生谐波信号，产生交调失真，信号被压缩，AM-PM转换
确保天线端口阻抗匹配良好，高效传输信号的能量
KPWRFM97
验证仿真设计的真实性
。。。。。。
为什么同时需要器件的幅度和频率响应特性
对器件进行测量测量的目的
测量的目的——证明被测器件的设计是正确的，或质量是好的
信号穿过被测器件时能量传输效率高
被测器件不会造成信号的失真
学习矢量网络分析仪原理知识的前提是要了解
信号/能量传输效率高的条件
有关传输线伦理和特征阻抗的基本知识
¤ 信号不失真的条件
有关射频和微波信号的矢量特性的基本知识
有关器件的线性特性和非线性特性的基本知识
关于传输线的基本介绍
低频信号
信号的波长远大于传输介质（电线）的长度
电流（I）沿着电线流动即可有效地传送信号/能量
在电线上测量得到的电压值和电流值不会受到电线上测量位置的 影响
高频信号
信号的波长等于甚至是远远小于传输介质（同轴电缆，印刷电路 等）的尺寸
为达到高效传送信号/能量的目的，需要考虑传输线的阻抗特性
信号源的输出阻抗与负载的输入阻抗与传输线的特征阻抗（ Z0 ） 相匹配是使反射信号最小、能量传送效率最高的关键
信号的电压值和电流值在传输线上起伏变化，不同位置上可测量到不同的电压和电流值，信号波形在传输线上形成包络
传输线特征阻抗 Z0
能量/功率传输效率
为什么要测量阻抗——阻抗匹配是保证能量高效传输的条件
传输线特征阻抗和负载阻抗对产生驻波的影响
反射系数、电压驻波比、回波损耗的定义
对器件进行测量测量的目的
测量的目的——证明被测器件的设计是正确的，或质量是好的
信号穿过被测器件时能量传输效率高
被测器件不会造成信号的失真
学习矢量网络分析仪原理知识的前提是要了解
信号/能量传输效率高的条件
¤ 有关传输线伦理和特征阻抗的基本知识
信号不失真的条件
¤ 有关射频和微波信号的矢量特性的基本知识
¤ 有关器件的线性特性和非线性特性的基本知识
矢量信号的概念
信号的时域表示和频域表示
信号的时域表示和频域表示
被测器件的插入相位
被测器件的插入相位
在信号波形关系上，输出信号上的B点对应于输入信号上的A点
当B点的相位达到T0时间之前A点 的相位时，输入信号的相位已经 变成了A‘处的相位
在同一时刻（例如t1+T0）输出信 号波形上某点的相位滞后于与之 对应的输入信号波形上点的相位
被测器件的插入相位
在确定被测器件的插入相位的时候上，先找出输入信号和输出信号波形上对应的两个点，例如左图中的A和B点
对应于输出信号波形上的B点，找出同一时刻输入信号波形的相位
在这同一时刻（例如t1+T0）输出信号与输入信号的相位差即为被测器件在该频率信号的插入相位
被测器件的插入相位——总结
被测器件插入相位的负斜率线性特性
线性特性和非线性特性的对比
线性特性：
输入信号和输出信号的频率相同（被测器件 不会产生其它频率的信号）
与输入信号相比，输出信号仅有幅度和相位 上的变化
非线性特性：
被测器件在其输出信号中改变了输入信号的频率（混频器的功能特性）
在被测器件的输出信号中产生了更多的频率 分量（例如谐波信号分量和交调信号分量）
线性网络（器件/电路）信号无失真传输的判断标准
在所关注的测量频率范围内，被测器件的：
幅度频率响应特性平坦
相位频率响应特性的斜率保持恒定
线性网络的幅度频率响应特性引起的输出信号的失真
线性网络的相位频率响应特性引起的输出信号的失真
被测器件实际相位频率响应特性与线性相位特性的偏离
被测器件的群时延特性
为什么要测量群时延特性？
被测器件的射频特性
常见术语
反射系数、电压驻波比、回波损耗的之间的关系
被测器件的网络概念——端口与波量的定义
S参数的定义
测量S参数的方法和条件
S参数的含义
S11 = 前向反射系数（输入匹配）
S22 = 反向反射系数（输出匹配）
S21 = 前向传输系数（增益或损耗）
S12 = 反向传输系数（隔离度）
虽然人们习惯于用分贝数（dB）来表示S参数的大小，但是本质上它被测器 件的小信号线性参数，是既有幅度又有相位信息的量
S参数测量结果的显示方式 ——滤波器的S21
S参数测量结果的显示方式 ——滤波器的S11
用史密斯圆图表示S11 的测量结果
直角坐标系——复数阻抗的直观表达方法
极坐标系——复数反射系数
史密斯图——直角坐标与极坐标的映射
史密斯图——直角坐标与极坐标的映射
在史密斯图上的读数方法
S11测量结果的史密斯图表现形式
矢量网络分析仪内部的主要组成部分
矢量网络分析仪的典型结构
测量被测器件的反射参数
测量被测器件的传输参数
同时表征被测器件的正向和反向S参数
矢量网络分析仪的端口输出功率，端口底噪声，动态范围
动态范围对矢量网络分析仪测量结果精度的影响
矢量网络分析仪的动态范围和被测滤波器的规格对比
矢量网络分析仪测量速度的定义
矢量网络分析仪产生误差的原因
系统误差对测量结果的影响
矢量网络分析仪的原始性能系统指标
对矢量网络分析仪进行校准是得到精确测量结果的保证
测量的目的：
测量并表征被测器件本身的特性
被测器件测试环境中存在的问题：
被测器件的测量结果可能包括：
•+ 矢量网络分析仪的系统误差
•+测量电缆的特性
•+连接器/适配器的特性
得到精确测量结果的办法：
先校准，再测量!
对矢量网络分析仪进行校准的方法
按步骤对特性已知的标准器件进行测量
常用校准件
• 开路校准件
• 短路校准件
• 匹配负载校准件
• 直通校准件
误差修正
• VNA误差模型
• 用校准测量的结果修正实际测量结果
• 显示被测器件的真实特性
测量过程中要保证测量端面和校准端面一致
机械式手动操作校准件（举例）
单端口测量校准件（S11, S22）
• FSH-Z29
• 开路 – 短路 – 负载（匹配件）
• DC … 4 GHz
双端口测量校准件（S11, S21, S12, S22）
• ZV-Z121 (N-型连接器)
• ZV-Z135 (3.5 mm 连接器)
• 开路 – 短路 – 匹配 – 直通
• DC … 8 GHz
自动校准件（举例）
单端口测量校准件（S11, S22）
• ZN-Z103
• 开路 – 短路 – 负载（匹配件）
• 2 MHz … 4 GHz
双端口测量校准件（S11, S21, S12, S22）
• ZN-Z151 （N型连接器）
• ZN-Z151 （SMA连接器）
• 开路 – 短路 – 匹配 – 直通
• 100 kHz … 8.5 GHz
矢量网络分析仪（VNA）的概念和操作步骤概要
VNA是激励响应测量系统
• 内部既有信号源（激励源）又有测量接收机
VNA操作步骤概要
• 设置仪表状态（测量通道的状态）
- 根据DUT的测试要求设置
▪ 激励源参数（频率、功率、扫描方式）
▪ 接收机参数（测量点数，中频带宽）
• 对仪表进行校准
• 连接DUT
• 选择测量的参数及其显示方式，VNA即进行自 动测试
• 观察测量结果
VNA的CHANNEL——测试通道
Channel（测试通道）是VNA硬件设置状态的代表方式， VNA的一种硬件设置状态用一个通道编号表示（Ch x, x = 1, 2, …)
设置通道的目的是为了提高使用VNA的效率和灵活性
▪ 根据DUT测试需要只使用VNA的部分资源
▪ 为不同的DUT或同一个DUT的不同测试参数设置不同的通道，并为其编号
▪ 保存常用的通道设置，提高测试效率
通道参数包括：
▪ 激励源的工作方式和参数
- 激励源扫描方式（扫频率，扫功率，固定频率）
- 工作频率范围（起始频率，截至频率）
- 输出功率值
▪ 测量接收机的工作方式和参数
- 测量点数 (Number of Points)
- 中频测量带宽（IF BW)
- 一次扫描多次测量取平均值
测量结果直观的显示方式——TRACE（测量结果迹线）
VNA的DIAGRAM——测量结果图表显示区域
测量轨迹、测量轨迹的信息（轨迹摘要、光标值等）、测量通道的信息（通道编号、起始频率、截至频率、 激励源功率值、中频带宽）都放在测量结果的显示区域内（Diagram）
ZNB/ZND的默认设置是一个Diagram，可以设置多个显示区域（如右图所示）
CHANNEL、TRACE、DIAGRAM之间的关系
通道（Channel）是最重要的设置，只 要DUT的测试要求与某个通道设置的状 态相符合，在该通道上就可以测量多个 DUT的多个参数——一个通道可以对应 多条测量结果迹线
每一个参数的测量结果用一条测量迹线（Trace）表示
测量迹线可以显示在任意设定的显示区 域（Diagram）中，在显示迹线的同时， 与该迹线对应的通道信息也同时显示出 来——一个显示区域可以显示多条测量 结果迹线，对应不同通道的若干迹线可 以显示在同一个区域中
CHANNEL、TRACE、DIAGRAM之间的关系
DUT的规格和测量任务与通道、迹线之间的对应关系很严格
可自由选择要测量的参数，测量结果的显示方式可以任意组合
用三个显示区域显示在三个测量通道上测出四条测量迹线的例子
